Conception et études multi-échelles de matériaux « bio-inspirés »

Allocation doctorale, 36 mois, AAP 2017-1

Equipe :  Equipes Polymères, ICMPE

Porteur de projet : Daniel Grande

Résumé :

Le bois possède des propriétés thermiques et mécaniques remarquables qui en font un matériau de construction de choix. Cependant, ce matériau est hygroscopique et la question des transferts d’eau dans le bois est cruciale pour la maîtrise de son emploi en construction, notamment quand l’essence utilisée ne présente pas une durabilité naturelle suffisante. L’exposition à une humidité excessive peut favoriser les attaques fongiques pouvant conduire à une altération des propriétés mécaniques, voire à la destruction du bois. Par ailleurs, ses propriétés (thermiques, mécaniques) sont sensibles aux variations climatiques (notamment l’humidité relative), ce qui peut induire dans les structures du génie civil ou les bâtiments des pertes de performance ou des désordres dans le cas de déformations empêchées. Enfin la capacité du bois à « capter » l’humidité a aussi des effets positifs puisqu’elle contribue au confort de l’occupant d’une habitation en régulant son taux d’humidité.

Cependant, les transferts d’eau sont encore mal appréhendés, soit parce qu’ils sont reproduits par des modèles qui ne permettent pas de prendre en compte correctement la physique des phénomènes en jeu, soit parce que la description des mécanismes aux différentes échelles est incomplète. Schématiquement, la structure interne du bois est caractérisée par des canaux de tailles différentes (en longueur et diamètre) orientés selon la direction d’anisotropie longitudinale et connectés entre eux par des ponctuations (sorte de valves) qui autorisent des transferts dans le plan transverse (selon les directions d’anisotropie radiales et tangentielles). Les canaux présentent des géométries différentes selon les essences (feuillus, résineux et les conditions de croissance de l’arbre). Au sein de cette structure, l’eau peut être dans différents états : l’eau liquide, l’eau sous forme vapeur et l’eau dite liée aux parois des cellules qui est responsable des variations dimensionnelles du matériau.

Dans ce contexte, nous proposons de construire des matériaux biporeux anisotropes modèles mimant les éléments essentiels de la structure du bois et sa morphologie, en s'appuyant sur l'association de canaux longitudinaux macroporeux (échelle de la dizaine ou de la centaine de microns) et de phases nanoporeuses (échelle de la dizaine à la centaine de nanomètres). On cherchera à élaborer deux types de structures poreuses, l'une représentant un feuillu typique, l'autre un résineux typique, et on étudiera leurs propriétés de transfert (imbibition-séchage) jusqu'à parvenir à reproduire les propriétés originales du bois. Le travail s’appuiera sur les équipements des équipes impliquées (D. Grande, B. Le Droumaguet, ICMPE (Thiais), P. Coussot, S. Caré, O. Pitois, Laboratoire Navier (Champs-sur-Marne) : MEB, porosimétrie à intrusion de mercure, microtomographie X, RMN, IRM, etc.

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